以下所有公式中,加粗的字母表示向量(矢量),未加粗的字母表示數目(標量)。
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在小學語文中,我們學習過向量的數目積(也叫“點乘”或“內積”)。明天,我來介紹一下高等物理中向量的向量積(也叫“叉乘”或“外積”)以及它在學校數學中的應用。
一、向量的點乘(數目積)
點乘的表示方式:a·b
注意:向量a和b通過數目積運算得到的a·b是數目,而不再是向量!
二、向量的叉乘(向量積)
叉乘的表示方式:a×b
注意:向量a和b通過向量積運算得到的a×b依然是向量安培力方向判斷,因而它具有大小(模)和方向!
其中,向量c的方向按照手指螺旋定則(簡稱“右手定則”)來判定。具體地說:
1.不僅手指大手指,讓左手食指方向(指根到指尖)與向量a的方向一致。
2.靠右手掌心方向轉動(轉動角度不超過180°),使左手食指方向與向量b的方向一致。
3.手掌大手指方向即為向量c的方向。
注意:向量的叉乘不滿足交換律!
三、叉乘在高中數學中的應用
(1)角速率ω
r是位置矢量(簡稱“位矢”。在圓周運動中,r可理解為向量OP安培力方向判斷,其大小等于直徑r);v是質點P的線速率。
公式:v=ω×r
判定角速率ω的簡易方式:
1.不僅手掌大手指,讓左手食指方向與質點的線速率v方向一致。
2.彎曲這四根腳趾,“握住”質點的運動軌跡。
3.手掌大手指方向即為角速率ω的方向。
(2)轉矩M
轉矩是能使物體轉動的數學量。在中學數學中,杠桿平衡的本質實際上就是扭力平衡。
r是位矢,表示轉軸Z到受力點P的向量OP;F是受力點P所受的力。
公式:M=r×F
杠桿平衡的條件
上圖中的F1L1表示力F1對杠桿的扭矩M1的大小,它的位矢即為OA。按照向量叉乘的運算法則,|M1|=|OA×F1|=|OA|·|F1|·sinθ=F1L1,而L1就是小學數學中所學的力臂。
注意:F1L1=F2L2只表示扭力M1與M2的大小相等。同時按照手指螺旋定則,易知扭力M1和M2的方向相反,因而杠桿所受的合轉矩M=M1+M2=0,杠桿處于平衡狀態。
(3)磁感應硬度B
大手指方向即為磁感應硬度B的方向
大手指方向即為電壓I的方向
在判定磁感應硬度B或電壓I時,左手螺旋定則也叫安培定則。關于B和I的具體公式叫“畢奧-薩伐爾定理”,在此就不詳盡介紹了。
(4)安培力和洛侖茲力F
按照右手定則可以判定安培力或洛侖茲力F、磁感應硬度B和電壓I兩者的方向。
實際上,這兩者的嚴格物理關系要通過向量的叉乘來表示。但考慮到閱讀了本文的小學生很可能會搞暈,我就不介紹安培力和洛侖茲力的叉乘公式了。
溫情提示:與力有關用右手,與力無關用左手。